TW201804872A - 紅外線面板輻射器及製造紅外線面板輻射器之方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於具有由電絕緣材料製成之基板之紅外線面板輻射器之已知製造方法，該基板之表面經施加由電阻器材料製成之印製導體，該電阻器材料為導電性且在電流流過時產生熱，該方法包括以下方法步驟： (a) 提供該基板， (b) 將該印製導體施加至該基板之一表面。 為設想特徵為在每單位面積之高輻射功率下之均勻輻射發射之紅外線輻射器之簡單且廉價的製造方法，本發明提出：根據方法步驟(a)，提供自包括非晶系基質組分及呈半導體材料形式之額外組分之複合材料製成之基板，且該印製導體經提供為具有固定幾何形狀之形成零件，根據方法步驟(b)，該印製導體被適當地施加至該基板之表面，使得印製導體與基板彼此永久連接。

Description

紅外線面板輻射器及製造紅外線面板輻射器之方法

本發明係關於一種製造紅外線面板輻射器之方法，該紅外線面板輻射器具有由電絕緣材料製成之基板，由電阻器材料製成之印製導體經施用至該基板之表面，該電阻器材料導電且在電流流過時產生熱，該方法包含以下方法步驟： (a) 提供該基板， (b) 將該印製導體施用至該基板之一表面。 此外，本發明係關於一種紅外線面板輻射器，其具有由電絕緣材料製成之基板，由電阻器材料製成之印製導體經施用至該基板之表面，該電阻器材料導電且在電流流過時產生熱。 本發明之範疇中之紅外線面板輻射器展現二維或三維發射特徵；其等用於(例如)聚合塑膠材料或固化天然漆或乾燥加熱商品上之塗料，及在半導體或光電工業中熱處理半導體晶圓。 歸因於其等之特殊(特定而言，其等之二維)發射特徵，發明之紅外線發射器尤其易於經調適以適應於擬加熱之加熱商品之一表面的幾何形狀，使得具有二維或三維設計之加熱商品的表面之均勻輻照係可行的。 與其中由電阻器材料製成之電阻器元件係該紅外線面板輻射器之實際加熱元件的紅外線面板輻射器相比而言，根據本發明之紅外線面板輻射器之電阻器元件用於加熱另一組件(下文中將其指稱為「基板」)。自該電阻器元件至該基板之熱傳輸可基於熱傳導、對流及/或熱輻射。

已知之紅外線面板輻射器常包括具有由石英玻璃製成之圓柱形發射器管的多個紅外線發射器。在此等面板輻射器中，該等發射器管經適當配置使得其等之縱軸在一平面中平行於彼此延伸，藉此獲得二維燈配置，其之幾何形狀可經調適以適應於擬被輻照之加熱商品之幾何形狀。通常，線圈形狀之電阻器線經定位於發射器管之內部，其不接觸該發射器管或基本上不接觸該發射器管。自該電阻器線至該發射器管之熱傳輸基本上藉由熱輻射發生。 另外，已知之紅外線面板輻射器中，加熱元件經直接施用至支撐件(基板)。該基板可具有不同特殊形狀；基板可經設計為(例如)板狀、瓦狀、平坦、管狀或多面體。此等發射器之加熱元件與該支撐件直接接觸，使得自該印製導體至該支撐件之熱傳輸主要藉由熱傳導發生。 自WO 1999/025154 A1已知此類型之紅外線面板輻射器，其中電阻器元件與由石英玻璃製成之基板直接接觸。該電阻器元件具有(例如)曲折形狀，且藉由薄膜、絲網印刷或薄層印刷技術將該電阻器元件施用至基板表面，且接著，將該電阻器元件燒入該基板表面中。在此背景中，該印製導體與該石英玻璃基板處於二維直接接觸中，使得自該電阻器元件至該石英玻璃基板之熱傳輸主要藉由熱傳導及對流發生，其等可對功率效率具有正面影響。 由石英玻璃製成之基板擁有良好的抗腐蝕性、耐高溫性及耐溫度循環性，且可獲得高純度之基板。據此，由石英玻璃製成之基板亦非常適合於具有關於作為紅外線發射器之基板材料的純度及惰性之嚴格要求的高溫加熱方法。然而，依照規則，石英玻璃展現相對較低之熱傳導性，且其甚至被用作熱絕緣體。因此，若基板壁較薄，則存在不均勻熱分佈之風險，在極端情況中，不均勻熱分佈可作為反映該電阻器元件之形狀的圖案出現在對置基板側上。此僅可藉由高佔有密度之印製導體來抵消，但此很昂貴。若基板壁較厚，則功率效率及回應時間會受損害(此意謂，由於快速溫度變化要求快速加熱且冷卻該基板，因此快速溫度變化不可行)。 施用至該基板之印製導體通常具有較小橫截面表面積，使得其等製造昂貴且僅處理對機械應力之低阻力。因此，在製造期間，會將故障印製導體施用至該基板。將故障印製導體施用至基板與大量之金屬廢料及高製造成本相關聯。 特定而言，此適用於藉由印刷技術(例如，藉由絲網印刷或噴墨印刷)製造之印製導體，在印刷技術中，僅在完成印刷程序之後(且因此在施用至該基板之後)，才能偵測加熱元件中之潛在故障。此外，由於用於印刷之油墨通常含有高分率之貴金屬(例如，鉑、金或銀)，因此印製導體之製造係成本密集型。 將印製導體施用至塑膠薄膜係常見的。然而，已被施用至塑膠材料之印製導體對紅外線面板輻射器之製造係不利的，這是由於塑膠薄膜通常僅包括有限之耐高溫性，因此該印製導體僅可用於較窄溫度範圍中。特定而言，在印製導體形成加熱元件之電阻器元件的情況中，已證明使用印製導體薄膜係不利的。本發明之技術目標 因此，本發明係基於設想一種用於製造紅外線面板輻射器之簡單且廉價的方法之目標，該紅外線面板輻射器展現在每單位面積之高輻射功率下之均勻輻射發射。 本發明亦係基於設想一種包括每單位面積之高輻射功率且允許均勻加熱(特定而言之)薄基板壁之紅外線面板輻射器之目標。

參考製造紅外線發射器之方法，根據本發明，基於上文所提及之類型之方法滿足上文所指定之目標，這是因為：根據方法步驟(a)，提供自包括非晶系基質組分及呈半導體材料形式之額外組分之複合材料製成的基板，且該印製導體經設置為具有固定幾何形狀之形成零件，根據方法步驟(b)，該印製導體被適當施用至該基板之表面，使得印製導體與基板永久地彼此連接。 本發明之根本原理在於可尤其簡單且廉價地製造具有高輻射功率(諸如，大於150,000 W/m² 之輻射功率)之紅外線面板輻射器，只要：第一，自可熱激發材料製造該紅外線面板輻射器，且第二，將該印製導體提供為半成品。 假設作為固定幾何形狀之預製形成零件的印製導體允許較早地辨識到可發生於製造該印製導體期間的製造誤差。特定而言，與透過使用印刷技術製造之印製導體相比而言，在將印製導體形成零件與該基板接合之方法步驟之前檢查該等印製導體形成零件之功能能力係可行的。例如，若印製導體係單獨組件，則將電壓施加至該印製導體係容易的。依此手段，可拒絕故障印製導體，且此可在將該故障印製導體連接至該基板之前完成，使得將產生較少金屬廢料，且因此，依此手段可降低製造成本。 與印製導體相比而言，依半成品之形式提供之預製印製導體與另一優點相關聯，該另一優點在於，使用成本密集型材料(例如，昂貴的印刷油墨(第一，其常包括高分率之貴金屬(例如鉑)，且第二，其需要滿足關於作為油墨之適合性的嚴格要求)可成為過去。 可透過各種製造方法(例如，衝孔、雷射切割或澆鑄)來製造印製導體。較佳地，透過使用熱分離程序或藉由衝孔而自金屬片製造該形成零件。熱分離或衝孔程序之使用允許大量製造印製導體，且因此有助於保持低材料成本及製造成本。 由於可使用各種製造方法，因此即使是藉由印刷技術很難或很費力處理之材料亦可經處理以形成印製導體。由於該印製導體係自導電且在電流流經時產生熱之電阻器材料製成，因此該印製導體將充當加熱元件。然而，僅在該印製導體經連接至該基板之後可獲得在高輻射功率下二維且均勻發射之紅外線發射器。根據本發明，將該印製導體作為形成零件施用至該基板之表面，且將其永久地連接至該基板。在此背景中，可藉由機械手段及熱學手段兩者或藉由非導電層來將該印製導體接合至該基板。在最簡單之情況中，該印製導體依彼此不緊密接觸之方式與基板接合。 該印製導體充當「局部」加熱元件，可藉由該印製導體局部加熱該基板之至少一區段。該印製導體經適當定尺寸使得其加熱自複合材料製成之該基板之一部分。在此背景中，該印製導體加熱之該基板之部分係實際紅外線輻射發射元件。由於與該基板接觸之印製導體與該基板表面直接接觸，因此將獲得尤其緊密(且因此廉價製造)之紅外線面板輻射器。 自該電阻器元件至該支撐架之熱傳輸主要藉由熱傳導發生；但其亦可基於對流及/或熱輻射。 由於該基板包括非晶系基質組分及呈半導體材料形式之一額外組分，因此獲得可展現其中尤其偏好在高輻射功率下發射紅外線輻射之能量豐富經激發狀態的基板。適當選擇該複合材料之組合物使得該複合材料形成實際紅外線輻射發射元件。在此背景中，該複合材料含有以下組分： ● 在重量及體積方面，該非晶系基質組分占該複合材料之最大分率。該基質組分可決定該複合材料之機械性質及化學性質，例如，耐高溫性、強度及其之抗腐蝕性質。由於該基質組分係非晶系(其較佳由玻璃組成)，因此與由結晶材料製成之基板相比，該基板之幾何形狀更容易經調適以適應於紅外線發射器之各自應用之既有條件。 該基質組分可由未摻雜或經摻雜之石英玻璃組成，且若適用，其可含有除SiO₂ 以外之氧化組分、氮化組分或碳化組分(按最大為10重量%之量)。 ● 此外，根據本發明，以半導體材料形式之額外組分包埋於基質組分中。以半導體材料形式之額外組分形成分散於該非晶系基質組分中之內在非結晶相或結晶相。 半導體包括價帶及傳導帶，其等可藉由具有至多ΔE ≈ 3 eV之寬度的禁帶來彼此分離開。例如，針對Ge，該禁帶之寬度為0.72 eV；針對Si，該禁帶之寬度為1.12 eV；針對InSb，該禁帶之寬度為0.26 eV；針對GaSb，該禁帶之寬度為0.8 eV；針對AlSb，該禁帶之寬度為1.6 eV；針對CdS，該禁帶之寬度為2.5 eV。半導體之導電性取決於多少來自價帶之電子跨越該禁帶到達該傳導帶。基本上，在室溫下，僅極少數電子可跨越該禁帶且到達該傳導帶，使得半導體在室溫下通常僅具有較低導電性。但半導體之導電性實質上取決於其之溫度。若該半導體材料之溫度升高，存在足以將來自該價帶之電子提升至該傳導帶之能量的概率亦增大。因此，半導體之導電性隨溫度增大而增大。若溫度適當，則半導體材料展現良好的導電性。 該額外組分均勻分佈或特定地作為單獨相而不均勻分佈。該額外組分可決定該基板之光學性質及熱學性質；更具體而言，該額外組分影響紅外線光譜範圍(介於780 nm與1 mm之間的波長範圍)中之吸收。針對此光譜範圍中之輻射之至少部分，該額外組分展現高於該基質組分之吸收的吸收。 該額外組分在該基質中之相面積充當光學缺陷，且引起(例如)該複合材料在室溫下肉眼觀察下呈現黑色或灰黑色(取決於層厚度)。此外，該等缺陷亦具有吸熱效應。 該複合材料中存在之額外組分之類型及量較佳係適當的，使得其在600°C，在複合材料中針對至少2 µm與8 µm之間的波長產生至少0.6之發射率ε。 若該額外組分作為額外組分相存在，且包括具有至少20 µm之最大平均尺寸(但較佳大於3 µm)之非球形形態，則可獲得尤其高之發射率。 在此背景中，該額外組分相之非球形形態亦有助於該複合材料之高機械強度及較低裂紋形成傾向。術語「最大尺寸」應指該額外組分相之隔離區域之最長延伸值(如在顯微照片中可見)。上文所提及之平均數係顯微照片中之所有最長延伸值之中位數。 根據基爾霍夫熱輻射定律，熱平衡中之實體(real body)之吸收率α_λ 及發射率ε_λ 相等。 α_λ = ε_λ (1) 據此，該額外組分導致基板材料發射紅外線輻射。若已知光譜半球反射率R_gh 及穿透率T_gh ，則可按下式計算發射率ε_λ ： ε_λ = 1 - R_gh – T_gh (2) 在此背景中，「發射率」應理解為「發射之光譜正常程度」。亦可藉由J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster發表於「DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES」《5th European Thermal-Sciences Conference, The Netherlands (2008)》中且名稱為「黑體邊界條件(Black-Body Boundary Conditions)」(BBC)之量測原理來判定發射率。 與不存在額外組分之情況相比，在複合材料中(即，結合額外組分)之非晶系基質組分具有較高熱輻射吸收。此導致自該印製導體至該基板中之經改進熱傳導性、更快速之熱分佈及朝向該基板之較高發射率。依此手段，甚至針對較薄基板壁及/或相對較低印製導體佔有密度，提供較高之每單位面積輻射功率且產生均勻發射及均勻溫度場亦係可行的。具有較低壁厚度之基板具有較低熱質量，且允許快速溫度變化。出於此目的，不需要冷卻。 在根據本發明之方法之一尤其較佳實施例中，存在之額外組分之類型及量係使得其在1000°C之溫度下，在複合材料中針對介於2 µm與8 µm之間的波長產生至少0.75之發射率ε。 據此，針對介於2 µm與8 µm之間(即，在紅外線輻射之波長範圍中)的熱輻射，該複合材料具有高吸收及發射功率。此將減少該複合材料之表面之反射，使得，假設透射小到可以忽略，則在高於1000°C之溫度下，針對介於2 µm與8 µm之間的波長的所得反射程度最大為0.25，且在高於600°C之溫度下，其最大為0.4。因此，將防止由經反射熱輻射引起之不可再現的加熱，此有助於均勻溫度分佈或所要的不均勻溫度分佈。 已證實，藉由接合程序(較佳藉由機械接合、膠合或熔接)來產生印製導體與基板之連接係適宜的。 接合程序介導至少2個組分之永久連接。在此背景中，可至少在個別接合位點處產生該等組分之間的連接。根據本發明，該印製導體呈現為形成零件，此意謂其具有固定幾何形狀。當該印製導體與該基板接合時，該基板可呈現為固定幾何形狀或呈現為不定形物質。較佳地，該基板亦呈現為固定幾何形狀。依此手段，該印製導體在該基板上之定位尤其簡單。 有利地，印製導體及基板可藉由機械接合、膠合、焊接、熔接來彼此連接。參考機械接合，已證明壓入操作尤其適宜。出於此目的，該基板可具有對應於該印製導體之形狀之凹陷(例如具有該印製導體壓入其中之凹槽)。 替代地，可藉由玻璃焊料來將玻璃基板連接至印製導體。玻璃焊料之特徵為具有尤其低之軟化溫度；其等可用於產生材料與玻璃之間之產熱連接。製造程序與金屬之焊接相似，但玻璃焊料連接經系統劃分為膠合連接。膠合連接係有利的，這是因為其等尤其易於產生。此外，可調整黏著劑之性質以匹配擬被連接之材料的材料性質。例如，黏著劑(玻璃焊料)之熱膨脹係數經適當選擇使得其處於該印製導體之熱膨脹係數與該基板之熱膨脹係數之間。 藉由將能量引入至該印製導體及該基板中來產生熔接連接。在該方法中，該印製導體及該基板兩者至少部分經熔化，且當熔化區域冷卻時，兩者互相連接。 根據本發明之方法之一較佳修改提供擬藉由非導電層連接至基板之表面的印製導體。 非導電層充當電絕緣體；非導電層可將該印製導體所產生之熱運輸至該基板，但非導電層幾乎無法產生任何熱。因此，該非導電層對基板之加熱貢獻頗微。主要能量輸入藉由該印製導體發生，使得該印製導體之幾何形狀：第一，界定該基板之被熱激發之區域；第二，判定至該基板中之熱輸入之量值。因此，該非導電層之層厚度之偏差及(特定而言)該非導電層(可能僅部分)不均勻施用在該基板上未顯著影響輸入至該基板中之熱及基板溫度分佈。 已證明使用由碳化矽(SiC)、二矽化鉬(MoSi₂ )、鉭(Ta)或耐高溫鋼製成之金屬片來製造形成零件係有益的。 與貴金屬(諸如(例如)金、鉑或銀)相比較，上文所提及之材料(碳化矽(SiC)、二矽化鉬(MoSi₂ )、鉭(Ta)或耐高溫鋼)較廉價。此外，可僅藉由諸多努力在印刷方法中處理上文所提及之材料，但其等可輕易地經塑形為可在紅外線面板輻射器之製造中用作半成品之形成主體。此外，此等材料係有利的，因為其等抗空氣氧化使得不必要要求用於保護印製導體的覆蓋印製導體之額外層(覆蓋層)。 然而，已證明提供自不透明石英玻璃製造之覆蓋層係有益的。此類型之覆蓋層充當漫反射器，且同時保護且穩定該印製導體。由不透明石英玻璃製成之此類型之覆蓋層之製造描述於(例如)WO 2006/021416 A1中。該覆蓋層自含有呈液態之非晶系SiO₂ 粒子的分散液產生。將該覆蓋層施用至面向該印製導體之基板表面，使其乾燥以形成生層(green layer)，且在高溫下燒結該生層。 有利地，該形成零件包括具有螺旋形狀線圖案或曲折形狀線圖案之一區段。依此手段，藉由單一印製導體均勻覆蓋該基板表面係可行的。單一印製導體尤其易於連接且易於自電流源觸發。 在根據本發明之方法之一較佳修改中，在根據方法步驟(b)將該印製導體施用至支撐件之表面之前，提供在其端部上具有其橫截面表面積大於線圖案之橫截面表面積之印製導體的該形成零件。 較佳地，該線圖案在一平面中延伸。為簡化該印製導體之電接觸，已證明該印製導體在其之電接觸區域中具有低於其加熱區域中之溫度係有利的。為使此可行，該印製導體可具有導電軌道，其具有大於該印製導體之橫截面表面積。歸因於其之橫截面表面積較大，該導電軌道具有較低電阻；因此，其加熱之程度顯著弱於印製導體自身。 該印製導體及導電軌道可形成設置為單一零件或多個零件之單元。可在單一方法步驟(例如，藉由自金屬片衝孔或藉由雷射切割)中製造印製導體及導電軌道之整體單元。在此情況中，(例如)在給定金屬片厚度之情況下，該導電軌道具有大於該印製導體之寬度。替代地，在將其等作為單元施用之該基板之表面之前，在額外方法步驟中連接該印製導體及該導電軌道亦係可行的。例如，可將導電軌道與印製導體彼此熔接。 已證明，在該印製導體之端部處設置接觸元件係適宜的。接觸元件用於簡化該印製導體之電接觸；其等較佳形成插頭連接之插頭元件。該插頭連接係將該接觸元件可拆卸地連接至該電流供應源之手段。依此手段，該印製導體尤其易於與電導體斷開及連接(特定而言，與電流/電壓源連接/斷開)。 在此背景中，已證明，具有自相同材料製造之導電軌道及印製導體係有益的。 若兩個組件係自相同材料(例如)藉由焊接製成，則可尤其輕易地產生導電軌道與印製導體之連接。 參考該紅外線面板輻射器，根據本發明，基於上文所提及之類型之紅外線面板輻射器滿足上文所指定之目標，這是因為該基板係自包括一非晶系基質組分及呈半導體材料形式之額外組分之複合材料製成，且作為具有固定幾何形狀之形成零件的印製導體被適當施用至該基板之表面，使得印製導體與基板永久地彼此連接。 根據本發明之紅外線面板輻射器包括：第一，基板，其由用於熱施用之材料製成，及第二，印製導體，其具有固定幾何形狀且經連接至該基板。 由於該印製導體係具有固定幾何形狀之形成零件，因此其具有尤其高之機械穩定性，且另外，其可依高精確度製造。 與印製導體相比而言，依半成品之形式提供之預製印製導體與另一優點相關聯，該另一優點在於，使用成本密集型材料(例如，昂貴的印刷油墨(第一，其常包括高分率之貴金屬(例如鉑)，且第二，其需要滿足關於作為油墨之適合性的嚴格要求)可成為過去。 可透過各種製造方法(例如，衝孔、雷射切割或澆鑄)來製造該印製導體。該印製導體與該基板結合形成二維且均勻發射之紅外線發射器；其充當「局部」加熱元件，可藉由其局部加熱該基板之至少一部分區段。該印製導體經適當定尺寸使得其加熱自特殊材料(即包括非晶系基質組分及呈半導體材料形式之額外組分之複合材料)製成之基板之一部分。該複合材料係實際紅外線輻射發射元件。由於該基板包括非晶系基質組分及呈半導體材料形式之額外組分，因此獲得可承受尤其偏好發射紅外線輻射之能量豐富經激發狀態的基板。就該複合材料之組成而言，應參考上文在根據本發明之方法之背景中所提供之解釋。 根據本發明之紅外線面板輻射器之一較佳實施例提供具有固定幾何形狀之多個印製導體，各印製導體可個別經電觸發以施用至該基板。 提供多個印製導體將使個別觸發及適應使用該紅外線面板輻射器可獲得之輻射強度可行。一方面，可透過適合地選擇印製導體之相鄰區段之距離來調整該基板之輻射功率。在此背景中，該基板之區段經加熱至不同程度，使得其等發射不同輻照強度之紅外線輻射。 替代地，該等印製導體可經電個別控制以透過不同操作電壓或操作電流操作其等。顯而易見，特定而言，基板之邊緣通常比該基板之中間區域之加熱方法更弱。可能原因係相對於其之周圍區域，邊緣區域中存在較大溫度梯度，使得該邊緣區域比(例如)該紅外線面板輻射器之中間區域冷卻地更快速。施加至各自之印製導體的操作電壓及/或操作電流之變動允許輕易且快速地調整該基板之溫度分佈。 已證明，非晶系基質組分係石英玻璃，且該半導體材料以元素形式存在(其中該半導體材料之重量分率處於0.1%至5%之範圍中)係適宜的。 在此背景中已證明，該非晶系基質組分及額外組分在低於600°C之溫度下擁有電絕緣性質係適宜的。 石英玻璃係電絕緣體，且其不僅擁有高強度，亦擁有良好的抗腐蝕性、耐溫度性及耐溫度循環性，且其可以高純度獲得。因此，即使在高達1,100°C之溫度的高溫加熱方法中，石英玻璃亦係一可設想之基質材料。不需要冷卻。 在該基質中之半導體相之細粒子區域充當光學缺陷，且引起該基板材料在室溫下肉眼觀察下呈現黑色或灰黑色(取決於層厚度)。另一方面，該等缺陷亦影響該複合材料之整體熱吸收。此主要歸因於以元素形式存在之半導體之精細分佈相之性質，主要係：一方面，價帶與傳導帶之間的能量(帶隙能量)隨溫度減少，且另一方面，若活化能量足夠高，則電子自該價帶提升至傳導帶，此與吸收係數之明顯增大有關聯。該傳導帶之熱活化佔有(thermally activated occupation)導致該半導體材料針對特定波長(諸如自1,000 nm起)在某種程度上在室溫下係透明的且在高溫下變得不透明。 據此，吸收率及發射率可隨該複合材料之溫度增大而突然增大。此效應尤其取決於半導體之結構(非晶系/結晶)及摻雜。 較佳地，該額外組分係元素矽。例如，自約600°C起，純矽展現發射之顯著增大，自約1,000°C起達到飽和。 因此，半導體材料(且具體而言，較佳使用的元素矽)使玻璃基質材料變黑，且此在室溫以及高於(例如)600°C之經升高溫度下皆如此。因此，達成就高溫下之高頻帶發射而言之良好發射特徵。在此背景中，半導體材料(較佳為元素矽)形成分散於基質中之自身Si相。後者可含有多種半金屬或金屬(除高達50 wt.%之最大值之金屬之外(最佳不多於20 wt.%)；各相對於該額外組分之重量分率)，其中除至多小於0.5%之封閉孔隙率之外，該複合材料展現無開放孔隙率，且該複合材展現至少2.19g/cm³ 之特定密度。因此，就製造支撐架之材料之何種純度或氣密性係基本的而言，該複合材非常適合於支撐架。 該複合材料之熱吸收取決於該額外組分之分率。因此，該額外組分之重量分率應較佳係至少0.1%。另一方面，若該額外組分之體積分率較高，則此可對該基質之化學性質及機械性質產生有害效應。考量到此點，該額外組分之重量分率較佳處於0.1%至5%之範圍中。 已證明，非晶系基質組分係石英玻璃且較佳具有至少99.99%之SiO₂ 及至多1%之白矽石含量之化學純度。該基質之白矽石含量較低(即，1%或1%以下)將確保反玻璃化傾向較低，且因此，在作為紅外線面板輻射器使用期間形成裂紋之風險較低，此滿足關於在半導體製造方法中通常顯而易見之不存在粒子、純度及惰性的嚴格要求。

圖1展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第一實施例，在全文中具有指派給該紅外線面板輻射器之元件符號100。紅外線面板輻射器100包括板狀基板101、印製導體102及兩個導電軌道103a、103b，導電軌道用於印製導體102之電接觸。 板狀壁板101包括以石英玻璃之形式之一非晶系基質組分。元素矽之相以非球形區域之形式均勻分佈於該基質組分中。板狀基板101具有100 mm之長度l、100 mm之寬度b及2 mm之厚度。 印製導體102由單一零件製成；其形成平坦、分布區的三維形成零件，其可輕易地放置於板狀基板101上。印製導體102自耐高溫鋼(2.4816)製成，且藉由自鋼板衝孔出而產生。印製導體102之端部之各者具有配置於其上之導電軌道103a、103b，其等與印製導體102一起自鋼板衝孔而出。在根據本發明之紅外線發射器之替代改進(圖1中未展示)中，導電軌道103a、103b經熔接至印製導體102之端部。應基於圖2在下文中更詳細描述具有熔接於其上之導電軌道的紅外線面板輻射器之製造方法。 在其他圖式中展示之實施例中使用與圖1中相同之元件符號，此等表示與藉由根據本發明之紅外線面板輻射器之第一實施例之描述在上文中所較詳細繪示設計相同或等效之組件及零件。 基於圖2，在一實例中較詳細繪示用於製造紅外線面板輻射器100之發明方法。製造 基板 101 ( 半成品 1) 根據如WO 2015/067 688 A1中所描述之漿液澆鑄程序發生該製造。在熱氯化程序中將非晶系石英玻璃顆粒提前純化，從而確保白矽石含量低於1重量%。藉由去離子水濕式研磨具有處於250 µm至650 µm之範圍中之顆粒大小的石英玻璃顆粒，使得形成具有78%之固體含量的均勻基礎漿液。 接著，自基礎漿液移除研磨珠且添加矽粉直至達到83重量%之固體含量。該矽粉主要含有具有較窄粒子大小分佈之非球形粉末粒子，其等之D₉₇ 值為約10 µm，且小於2 µm之粒子大小的細粒部分被提前移除。 將填充有矽粉之漿液再均質化12小時。該矽粉占總固體含量之5%的重量分率。已均質化之漿液中之SiO₂ 粒子具有特徵為約8 µm之 D₅₀ 值及約40 µm之D₉₀ 值的粒子大小分佈。 該漿液經澆鑄於商用模鑄機器之模具中，且使用多孔塑膠隔膜來使其脫水以形成多孔生坯(porous green body)。該生坯具有矩形板之形狀。為移除結合水(bound water)，在約90°C，在充氣窯中將該生坯乾燥5天。冷卻之後，機械處理因此獲得之多孔毛坯以接近擬製造之石英玻璃板之最終尺寸，該石英玻璃板具有4 mm之板厚度。至於燒結，在存在空氣之情況下，在燒結窯中將該毛坯加熱1小時之過程至1390°C之一加熱溫度，且維持此溫度5小時。 因此獲得之石英玻璃板係基板101，其由具有2.1958 g/cm³ 之密度的氣密複合材料組成，其中彼此分離開且大小及形態基本上對應於該方法中所使用之Si粉之大小及形態的元素Si相之非球形區域均勻分佈於由不透明石英玻璃製成之基質中。最大平均尺寸(中位數)處於約1 µm至約10 µm之範圍中。對肉眼來說，該基質看起來半透明至透明。在顯微檢測之後，該基質展示無開孔隙及至多具有小於10 µm之最大平均尺寸的閉孔隙；基於密度計算之孔隙率係0.37%。該複合材料在高達約1,150°C之溫度的空氣中係穩定的。製造 印製 導體 102 ( 半成品 2) 為製造印製導體102，自具有0.2 mm之厚度、500 mm之寬度及2000 mm之長度的鉭片衝孔出用於形成該印製導體之形成零件。依衝頭之形式的衝孔工具用於衝孔，其中平坦基板用作對應物。衝孔出之印製導體102具有曲折線輪廓，且包括在平面中彼此相鄰定位之兩個曲折結構。圖2-I展示衝孔出之印製導體102。印製導體102延伸60 mm之長度及60 mm之寬度。將印製 導體 102 熔接至導電軌道 103a 、 103b 印製導體102形成已完成之紅外線面板輻射器100之發射器之所謂「熱」帶。需要「寒」帶用於印製導體102之電接觸。如圖2-II中所展示，出於此目的，導電軌跡103a、103b經熔接至印製導體102之端部。如此般設置導電軌跡103a、103b使其等相同；其等包括40 mm之長度、5mm之寬度及0.4 mm之厚度。將具有導電軌道 103a 、 103b 之印製 導體 102 施 用至基板 101 圖2-III展示將具有導電軌道103a、103b之印製導體102施用至基板101。首先，印製導體102經放置於基板101之上側上。施用玻璃焊料且接著將其加熱至軟化溫度，使得液態玻璃焊料封閉印製導體102及基板表面。在燒結玻璃焊料之後，當形成該玻璃焊料接合時，允許冷卻印製導體2及基板101。施 用反射器層 ( 可選 ) 隨後，將漿液層施用至基板101及已施用至其之印製導體102之上側。藉由將依球形粒子之形式的非晶系SiO₂ 粒子(具有約5 µm之顆粒大小)混合至均勻穩定之基礎漿液，直至達到84%之固體含量來修改上文所描述之類型之基礎SiO₂ 漿液(未添加矽粉)，從而獲得此漿液。在依25 rpm之速率旋轉之滾磨機中將此混合物均質化12小時。因此獲得之漿液具有84%之固體含量及約2.0 g/cm³ 之密度。研磨石英玻璃顆粒之後獲得的漿液中之SiO₂ 粒子具有特徵為約8 µm之D₅₀ 值及約40 µm之D₉₀ 值的粒子大小分佈。 將該漿液噴塗於已提前使用酒精清洗之基板101之上側上若干秒。因此，具有約2 mm之厚度的均勻漿液層形成於基板101上。經乾燥漿液層無裂紋，且具有略小於2 mm之平均厚度。 接著，在燒結窯中在空氣中燒結經乾燥漿液層。 圖3展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第二實施例之側視圖，在全文中具有指派給該紅外線面板輻射器之元件符號300。紅外線輻射器300包括板狀基板301、印製導體302及覆蓋層303。 板狀基板301具有矩形形狀及2.5 mm之板厚度。板狀基板301由具有由石英玻璃製成之基質的複合材料組成。對肉眼來說，該基質看起來半透明至透明。在顯微檢測之後，該基質展示無開孔隙及至多具有小於10 µm之最大平均尺寸的閉孔隙。元素矽之相以非球形區域之形式均勻分佈於該基質中。此等占5%之重量分率。矽相面積之最大平均尺寸(中位數)處於約1 µm至10 µm之範圍中。該複合材料係氣密型，其具有2.19 g/cm³ 之密度，且其在高達約1150 °C之溫度之空氣中係穩定的。 包埋之矽相不僅有助於該複合材料之整體不透明度，亦對該複合材料之光學性質及熱學性質具有影響。在高溫下，該複合材料展現高熱輻射吸收率及高發射率。 在室溫下，使用累計球來量測該複合材料之發射率。此允許量測光譜半球反射率R_gh 及光譜半球穿透率T_gh ，可自其等計算正常發射率。在自2 µm至18 µm之波長範圍中，施用上文所提及之BBC量測原理，藉由憑藉額外光學系統而與BBC樣品室耦合之FTIR光譜儀(Bruker IFS 66v傅立葉變換紅外線(FTIR))來量測在經升高溫度下之發射率。在此背景中，該樣品室在樣品架前及樣品架後之半球中具有恆溫黑體環境，且具有開口具有偵測器之束出口。在單獨窯中將該樣品加熱至預定溫度，且為便於量測，將其傳輸至樣品室內之束路徑中，其中將該等黑體環境設定至預定溫度。該偵測器所偵測之強度由發射、反射及透射部分構成，即，該樣品自身發射之強度、自該前半球入射至該樣品上且由該樣品反射之強度，及自後半球入射至該樣品上且由該樣品透射之強度。需要執行三個量測以判定個別參數，即，發射度、反射度及透射度。 在2 µm至4 µm之波長範圍中量測到之複合材料之發射度依據溫度而變化。溫度越高，發射度越高。在600°C，在2 µm至4 µm之波長範圍中之正常發射度高於0.6。在1,000°C，在2 µm至8 µm之整個波長範圍中之正常發射度高於0.75。 藉由使用雷射束將該鉭片切割成形成零件而自該鉭片製造印製導體302。該形成零件具有固定幾何形狀；該形成零件具有整體設計且具有阿基米德螺旋形狀，其中印製導體302之相鄰區段之距離a係2 mm。印製導體302具有至少0.02 mm² 之橫截面表面積及1 mm之寬度及20 µm之厚度。由鉭製成之接觸件(圖中未展示)經熔接至該螺旋之兩側上之印製導體。該等接觸件具有至少0.5 mm² 之橫截面表面積。由於該等接觸件具有大於該印製導體之橫截面表面積，因此該等接觸件具有低於印製導體302之電阻；因此，當電流流經該等接觸件時，該等接觸件被加熱之程度弱於印製導體302。因此，該等接觸件引起該溫度之降低，使得藉由該等接觸件電接觸印製導體302更為簡單。 印製導體302經穩固連接至基板301，這是因為由玻璃製成之覆蓋層303經施用至具有印製導體之基板301之表面304。覆蓋層303自玻璃製成，該玻璃之熱膨脹係數處於該基板之熱膨脹係數與該印製導體之熱膨脹係數之間的範圍中。基板301之熱膨脹係數係0.54 10^-6 K^-1 ；印製導體302之熱膨脹係數係6.4 10^-6 K^-1 ，且覆蓋層303之熱膨脹係數係0.54 10^-6 K^-1 。覆蓋層303具有1.8 mm之平均層厚度。覆蓋層303覆蓋基板301之整個加熱區域。覆蓋層303完全覆蓋印製導體302，且因此保護印製導體302不受外部環境之化學或機械影響。 圖4展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第三實施例之側視圖，在全文中具有指派給該紅外線面板輻射器之元件符號400。紅外線面板輻射器400包括圖3之描述中所描述之類型的基板301、及印製導體402及覆蓋層403。藉由玻璃焊料407將印製導體402連接至基板表面404。 印製導體402展示曲折輪廓，其如此緊密地覆蓋基板301之加熱表面使得印製導體之相鄰區段之間保持1.5 mm之均勻距離。在所展示之橫截面中，印製導體402具有0.05 mm² 之橫截面表面積、1 mm之寬度及50 µm之厚度。 玻璃焊料係具有低軟化溫度之玻璃；玻璃焊料屬於黏著劑之群組。玻璃焊料之處理程序相似於金屬之焊料。歸因於玻璃焊料之低軟化溫度，在處理溫度下該玻璃焊料為液態。但在處理溫度下該基板為固態。 所使用之玻璃焊料係由玻璃粉及有機黏結劑製成之玻璃膏，例如，Schott AG (Mainz, Germany)的玻璃焊料編號G018-385。該玻璃焊料具有8.4 ppm/K之熱膨脹係數α_(20-300) 、3.14 g/cm³ 之密度、992°C之玻璃轉變溫度及1,000°C之熔化溫度。 在紅外線面板輻射器400之製造期間，首先藉由自耐高溫鋼板衝孔來將印製導體製造為形成零件。隨後，加熱基板301之表面且施用玻璃焊料層。將印製導體402放置於玻璃焊料層上且與玻璃焊料層一起加熱，直到該玻璃焊料層軟化使得當該玻璃焊料層冷卻時，第一，在玻璃焊料層與基板301之間產生接合，且第二，在玻璃焊料層與印製導體402之間產生接合。為保護印製導體402不受機械應力及化學應力，印製導體402及玻璃焊料層最終具有由轉變玻璃製成之覆蓋層403，該玻璃之熱膨脹係數處於該玻璃焊料之熱膨脹係數與印製導體402之熱膨脹係數之間。 圖5展示根據本發明之紅外線面板輻射器500之第四實施例之側視圖，其中藉由壓入方法經由機械手段來使該印製導體402與基板501彼此連接。 基板501自與圖3之基板301相同之材料製成。基板501與自圖3所知之基板301不同之處在於，基板501之表面具有對應於印製導體402之幾何形狀之凹槽502。在基座處之凹槽寬度係1.2 mm，凹槽深度係0.04 mm。凹槽502之側表面稍微傾斜；此使得印製導體402與基板501更易於藉由機械手段連接。將由石英玻璃製成之覆蓋層503施用至基板501及印製導體402之表面。在一替代實施例(圖中未展示)中，未提供覆蓋層。覆蓋層503之功能在於保護印製導體402不受化學影響及機械影響。特定而言，由耐高溫鋼或二矽化鉬製成之特定印製導體包括耐高溫性，使得覆蓋層不必要。

100‧‧‧紅外線面板輻射器
101‧‧‧板狀基板
102‧‧‧印製導體
103a‧‧‧導電軌道
103b‧‧‧導電軌道
300‧‧‧紅外線輻射器
301‧‧‧板狀基板
302‧‧‧印製導體
303‧‧‧覆蓋層
304‧‧‧表面
400‧‧‧紅外線面板輻射器
402‧‧‧印製導體
403‧‧‧覆蓋層
404‧‧‧基板表面
407‧‧‧玻璃焊料
500‧‧‧紅外線面板輻射器
501‧‧‧基板
502‧‧‧凹槽
503‧‧‧覆蓋層
a‧‧‧距離
b‧‧‧寬度
l‧‧‧長度

基於例示性實施例及圖式在下文中詳細繪示本發明。在示意圖中， 圖1展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第一實施例，其具有施用至其基板表面之預製印製導體形成零件； 圖2展示根據本發明之用於製造紅外線面板輻射器之方法的一實施例，其中以形成零件之形式提供預製印製導體，且將其連接至基板之表面； 圖3展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第二實施例之側視圖，其中由印製導體佔有之表面具有施用至其之玻璃層； 圖4展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第三實施例之側視圖，其中藉由玻璃焊料將印製導體連接至基板表面；及 圖5展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第四實施例之側視圖，其中藉由壓入方法經由機械手段來使印製導體與基板彼此連接。

100‧‧‧紅外線面板輻射器

101‧‧‧板狀基板

102‧‧‧印製導體

103a‧‧‧導電軌道

103b‧‧‧導電軌道

Claims (9)

1. 一種製造紅外線面板輻射器之方法，該紅外線面板輻射器具有由電絕緣材料製成之基板，該基板之表面經施加由電阻器材料製成之印製導體，該電阻器材料係為導電性且在電流流過時產生熱，該方法包括以下方法步驟： (a) 提供該基板， (b) 將該印製導體施加至該基板之一表面， 其特徵為：根據方法步驟(a)，提供自包括非晶系基質組分及呈半導體材料形式之額外組分之複合材料製成之基板，且該印製導體係經提供為一形成零件，根據方法步驟(b)，該印製導體被適當地施加至該基板之該表面，使得印製導體與基板彼此永久連接。
2. 如請求項1之方法，其中藉由接合程序，較佳藉由機械接合、藉由膠合或藉由熔接，來產生印製導體與基板之該連接。
3. 如請求項1或2之方法，其中該印製導體係藉由一非導電層連接至該基板之該表面。
4. 如請求項1或2之方法，其中該形成零件係透過使用熱分離製程或藉由衝孔而自金屬片製成。
5. 如請求項1或2之方法，其中使用由碳化矽(SiC)、二矽化鉬(MoSi₂ )、鉭(Ta)或耐高溫鋼製成之工件來製造該形成零件。
6. 如請求項1或2之方法，其中在根據方法步驟(b)將該印製導體施加至該支撐件之該表面之前，提供在其端部上具有其橫截面表面積大於線圖案之橫截面表面積之印製導體的該形成零件。
7. 如請求項6之方法，其中該導電軌道及該印製導體係自相同材料製成。
8. 一種紅外線面板輻射器，其具有由電絕緣材料製成之基板，該基板之表面經施加由電阻器材料製成之印製導體，該電阻器材料係為導電性且在電流流過時產生熱，其特徵為：該基板係自包括非晶系基質組分及呈半導體材料形式之額外組分之複合材料製成，且該印製導體係經提供為一形成零件，且其被適當地施加至該基板之該表面，使得印製導體與基板彼此永久連接。
9. 如請求項8之紅外線面板輻射器，其中各可個別經電觸發之多個印製導體形成零件經施加至該基板。